(57)【要約】【課題】  均質燃焼時には縦方向に大きく先広がりの燃料噴霧として燃料を噴射し、成層燃焼時には縦方向に小さく先広がりの燃料噴霧として燃料を噴射することができる燃料噴射弁を具備する筒内噴射式火花点火内燃機関を提供する。【解決手段】  本筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射弁７は、燃料噴射部において、相対的な軸線方向の摺動が可能な外管７ａ及び内管７ｂを有し、内管には軸線方向に複数の噴孔７ｃ，７ｄが形成され、外管には連通孔７ｅが形成され、摺動によって連通孔と重なった噴孔からだけ内管内の燃料が噴射されるようになっており、複数の噴孔には、均質燃焼時に適した縦方向に大きく先広がりの燃料噴霧を噴射する第一噴孔７ｃと、成層燃焼時に適した縦方向に小さく先広がりの燃料噴霧を噴射する第二噴孔７ｄとが含まれる。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
点火プラグと、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁と、ピストンとを具備し、気筒内に均質混合気を形成する均質燃焼と、前記ピストンの頂面に形成されたキャビティを利用して前記点火プラグ近傍に可燃混合気を形成する成層燃焼とを切り換えて実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁は、燃料噴射部において、相対的な軸線方向の摺動が可能な外管及び内管を有し、前記外管及び前記内管の一方には軸線方向に複数の噴孔が形成され、前記外管及び前記内管の他方には連通孔が形成され、前記摺動によって前記連通孔と重なった噴孔からだけ前記内管内の燃料が噴射されるようになっており、前記複数の噴孔には、均質燃焼時に適した縦方向に大きく先広がりの燃料噴霧を噴射する第一噴孔と、成層燃焼時に適した縦方向に小さく先広がりの燃料噴霧を噴射する第二噴孔とが含まれることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項２】
前記第一噴孔は、略縦方向に広がる比較的厚さの薄い略扇形状の燃料噴霧を噴射するスリット噴孔であり、前記第二噴孔も、略縦方向に広がる比較的厚さの薄い略扇形状の燃料噴霧を噴射するスリット噴孔であり、前記第二噴孔から噴射される燃料噴霧の扇挟角は、前記第一噴孔から噴射される燃料噴霧の扇挟角より小さいことを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項３】
前記第一噴孔は、略縦方向に広がる比較的厚さの薄い略扇形状の燃料噴霧を噴射するスリット噴孔であり、前記第二噴孔は、略横方向に広がる比較的厚さの薄い略扇形状の燃料噴霧を噴射するスリット噴孔であることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料を気筒内へ直接的に噴射すると、吸気管壁面への燃料付着が無いために、必要量の燃料を確実に気筒内へ供給することができる。このような筒内噴射式火花点火内燃機関において、気筒内に均質混合気を形成する均質燃焼に加えて、点火プラグ近傍だけに可燃混合気を形成する成層燃焼も実施される。成層燃焼においては、圧縮行程で燃料を噴射し、この噴射燃料をピストン頂面に形成されたキャビティによって点火プラグ近傍へ導くようになっている。
【０００３】
均質燃焼に際して、良好な均質混合気を形成するためには、燃料噴射弁から噴射される燃料を気筒内に広く分散させることが望ましく、そのために、燃料は縦方向に先広がりの噴霧として噴射されることが好ましい。
【０００４】
ところで、成層燃焼時において、キャビティ外へ噴射された燃料は、点火プラグ近傍へ導かれることなく未燃燃料として排出されるだけであり、燃料を全てキャビティ内へ噴射することが望ましい。縦方向に先広がりの燃料噴霧として、円錐形状の燃料噴霧をキャビティ内へ噴射するために、燃料噴射時期を規定し、ピストンと燃料噴射弁との距離が比較的短くなってから燃料噴射を開始することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２９９５３９号公報
【特許文献２】特開２０００−１３０２１４号公報
【特許文献３】特開２００２−１３８８６８号公報
【特許文献４】特開２００２−５４４７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述のように燃料噴射を開始すると、点火時期までの時間が短くて、この短い時間では噴射燃料を十分に気化させることができないことがある。
【０００７】
従って、本発明の目的は、均質燃焼時には縦方向に大きく先広がりの燃料噴霧として燃料を噴射し、成層燃焼時には縦方向に小さく先広がりの燃料噴霧として燃料を噴射してピストンと燃料噴射弁との距離が比較的長い時にもピストン頂面のキャビティ内に燃料を確実に噴射可能とする燃料噴射弁を具備する筒内噴射式火花点火内燃機関を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、点火プラグと、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁と、ピストンとを具備し、気筒内に均質混合気を形成する均質燃焼と、前記ピストンの頂面に形成されたキャビティを利用して前記点火プラグ近傍に可燃混合気を形成する成層燃焼とを切り換えて実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁は、燃料噴射部において、相対的な軸線方向の摺動が可能な外管及び内管を有し、前記外管及び前記内管の一方には軸線方向に複数の噴孔が形成され、前記外管及び前記内管の他方には連通孔が形成され、前記摺動によって前記連通孔と重なった噴孔からだけ前記内管内の燃料が噴射されるようになっており、前記複数の噴孔には、均質燃焼時に適した縦方向に大きく先広がりの燃料噴霧を噴射する第一噴孔と、成層燃焼時に適した縦方向に小さく先広がりの燃料噴霧を噴射する第二噴孔とが含まれることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記第一噴孔は、略縦方向に広がる比較的厚さの薄い略扇形状の燃料噴霧を噴射するスリット噴孔であり、前記第二噴孔も、略縦方向に広がる比較的厚さの薄い略扇形状の燃料噴霧を噴射するスリット噴孔であり、前記第二噴孔から噴射される燃料噴霧の扇挟角は、前記第一噴孔から噴射される燃料噴霧の扇挟角より小さいことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記第一噴孔は、略縦方向に広がる比較的厚さの薄い略扇形状の燃料噴霧を噴射するスリット噴孔であり、前記第二噴孔は、略横方向に広がる比較的厚さの薄い略扇形状の燃料噴霧を噴射するスリット噴孔であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、燃料噴射弁における燃料噴射部の外管及び内管を相対的に軸線方向に摺動させて連通孔を第一噴孔に重ねることにより、均質燃焼時には、第一噴孔から縦方向に大きく先広がりの燃料噴霧を噴射することが可能となって、良好な均質混合気を形成することができる。また、成層燃焼時には、燃料噴射弁における燃料噴射部の外管及び内管を相対的に軸線方向に摺動させて連通孔を第二噴孔に重ねることにより、第二噴孔から縦方向に小さく先広がりの燃料噴霧を噴射することが可能となって、ピストンと燃料噴射弁との距離が比較的長い時にもピストン頂面のキャビティ内に燃料を確実に噴射することができる。
【００１２】
本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、第一噴孔からは略縦方向の比較的厚さの薄い大きな扇挟角の略扇形状の燃料噴霧が噴射され、第二噴孔からは略縦方向の比較的厚さの薄い小さな扇挟角の略扇形状の燃料噴霧が噴射される。
【００１３】
本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、第一噴孔からは略縦方向の比較的厚さの薄い略扇形状の燃料噴霧が噴射され、第二噴孔からは略横方向の比較的厚さの薄い略扇形状の燃料噴霧が噴射される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関を示す概略縦断面図であり、図２は図１の気筒内概略平面図である。これらの図において、１は吸気弁２を介して気筒内へ通じる一対の吸気通路であり、３は排気弁４を介して気筒内へ通じる一対の排気通路である。
【００１５】
５は気筒上部略中心に配置された点火プラグであり、６はピストンである。ピストン６の頂面には、吸気通路１側に偏在するキャビティ６ａが形成されている。７は気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁であり、気筒上部周囲の吸気通路１側に配置されている。
【００１６】
本筒内噴射式火花点火内燃機関は、燃料噴射弁７から吸気行程で気筒内へ燃料を噴射し、圧縮行程末期の点火時期までに気筒内に均質混合気を形成する均質燃焼を実施する。十分に均質化された良好な均質混合気を形成するためには、気筒内に広く噴射燃料を分散させることが望ましい。そのために、本実施形態において、燃料噴射弁７は、図１及び２に示すように、略縦方向に大きく広がる比較的厚さの薄い略扇形状に燃料を噴射するようになっている。ここで略縦方向に広がるとは、気筒軸線と略平行な平面上を先広がりとなることである。この燃料噴霧の扇挟角は大きなＡ１が選択され、また、図２に示すように、燃料噴射弁は、この略扇形状の燃料噴霧を二方向に噴射するようになっている。
【００１７】
略扇形状の燃料噴霧は、円錐形状の燃料噴霧に比較して貫徹力が大きくなり、それにより、飛行中において気筒内の吸気との摩擦によって微粒化されるために容易に気化する。こうして、略縦方向に広がる扇挟角の大きな略扇形状の燃料噴霧を使用することにより、気化し易い燃料を気筒内全体に分散させることができ、十分に均質化された均質混合気が形成されて良好な均質燃焼を実現することができる。
【００１８】
ところで、機関始動時においては、機関排気系に配置された触媒装置を一刻も早く暖機して、触媒装置によって排気ガスの浄化を開始しなければならない。そのためには、点火時期を膨張行程の中期以降等に大幅に遅角して、排気ガス温度を非常に高めることが望ましい。
【００１９】
しかしながら、均質混合気では、このように点火時期を大幅遅角すると、失火が発生する。それにより、本実施形態において、機関始動開始から又は機関始動直後から触媒装置の暖機完了までの間は、成層燃焼を実施するようにしている。成層燃焼は、圧縮行程でピストン頂面のキャビティ６ａ内へ燃料を噴射し、キャビティ６ａによって燃料を点火プラグ５近傍に集中させて可燃混合気を形成するものであり、この可燃混合気は点火時期を大幅遅角しても確実に着火燃焼させることができる。
【００２０】
この成層燃焼に際して、キャビティ６ａ外へ噴射された燃料は、キャビティ６ａによって点火プラグ５近傍へ導かれることがないために、燃焼せずに未燃燃料として排出されるだけとなる。それにより、燃料全てをキャビティ６ａ内へ噴射することが望ましい。しかしながら、均質燃焼に適した縦方向に大きく広がる扇形状噴霧では、ピストン６が燃料噴射弁７に非常に接近した時でなければ、燃料全てをキャビティ６ａ内へ噴射することができない。こうしてキャビティ６ａ内へ燃料全てを噴射しても、噴射燃料が点火プラグ５近傍に達する時間が非常に短くなり、この短時間では、飛行中の微粒化が不十分となって燃料は液状のまま点火プラグ５に到達し、可燃混合気を形成することができないだけでなく、点火ギャップが燃料により濡らされるために失火が発生し易くなる。
【００２１】
それにより、本実施形態では、この成層燃焼時において、扇挟角を小さくＡ２とした縦方向に広がる扇状燃料噴霧を噴射するようにし、ピストン６と燃料噴射弁７との間の距離が比較的長い時にも、燃料がキャビティ６ａ内に確実に噴射されるようにしている。
【００２２】
図３は燃料噴射弁７の燃料噴射部の拡大平面図であり、図４は燃料噴射弁７の燃料噴射部の拡大側面図である。これらの図に示すように、燃料噴射弁７は、燃料噴射部において、相対的な軸線方向の摺動が可能な外管７ａ及び内管７ｂを有している。外管７ａの端部は閉鎖されている。内管７ｂの肉厚は、外管７ａの肉厚に比較して厚くされ、内管７ｂには肉厚を軸線に対して斜めに貫通するスリット状の第一噴孔７ｃ及び第二噴孔７ｄが軸線方向に離間して形成されている。第一噴孔７ｃ及び第二噴孔７ｄは、図２に示すような二方向に燃料噴霧を噴射するために、燃料噴射部の両側にそれぞれ形成されている。
【００２３】
第一噴孔７ｃは、肉厚の内管７ｂに扇挟角Ａ１を有して扇形状に形成されたものであり、均質燃焼時に適した大きな扇挟角Ａ１を有する扇形状燃料噴霧を噴射することを可能とする。一方、第二噴孔７ｄは、肉厚の内管７ｂに扇挟角Ａ２を有して扇形状に形成されたものであり、成層燃焼時に適した小さな扇挟角Ａ２を有する扇形状燃料噴霧を噴射することを可能とする。外管７ａの両側には、第一噴孔７ｃより僅かに大きなスリット状の連通孔７ｅが形成され、図３及び４に示すように、この連通孔７ｅを第一噴孔７ｃと重ねることにより、第二噴孔７ｄは外管７ａにより閉鎖され、内管７ｂ内の燃料は、第一噴孔７ｃだけを介して均質燃焼に適した扇形状燃料噴霧として噴射される。
【００２４】
また、内管７ｂを軸線方向に移動させて、外管７ａの連通孔７ｅを第二噴孔７ｄと重ねることにより、第一噴孔７ｃは外管７ａにより閉鎖され、内管７ｂ内の燃料は、第二噴孔７ｄだけを介して成層燃焼に適した扇形状燃料噴霧として噴射される。
【００２５】
外管７ａの連通孔７ｅを第一噴孔７ｃ又は第二噴孔７ｄの一方に重ねるための内管７ｂの二段階の移動は、燃料圧力及びスプリング等を使用して実現可能である。燃料噴射の停止に際して、内管７ｂ内への高圧燃料の供給を停止するために、弁体が設けられる。しかしながら、内管７ｂの軸線方向の移動を三段階として、外管７ａの連通孔７ｅがいずれの噴孔とも重ならないようにして、燃料噴射を停止させることも可能であり、この場合には前述の弁体を省略可能である。
【００２６】
ところで、成層燃焼時において、図５に示すように、燃料噴射弁７’は、略横方向に広がる比較的厚さの薄い略扇形状に燃料を噴射するようにしても良い。ここで略縦方向に広がるとは、気筒軸線を横断する平面上を先広がりとなることである。扇形状燃料噴霧は、厚さ方向にも僅かに先広がりとなるために、略横方向に広がる扇形状噴霧は、縦方向には僅かしか広がらず、図５に示すように、燃料をキャビティ６ａ内へ確実に噴射することができる。
【００２７】
図６は、このための燃料噴射弁における燃料噴射部の拡大底面図である。前述の燃料噴射弁７との違いについてのみ以下に説明する。本燃料噴射弁７’における燃料噴射部の内管７’ｂには、第一噴孔７’ｃと軸線方向に離間して、横方向に広がる扇形状噴霧を噴射するためのスリット状の第三噴孔７’ｆが形成されている。但し、第一噴孔７’ｃが内管７’ｂの側面に形成されているのに対して、第三噴孔７’ｆは、内管７’ｂの底面に形成されている。
【００２８】
それにより、第一噴孔７’ｃと重なるように形成された外管７’ａの連通孔７’ｅを第三噴孔７’ｆと重ねるようにすることはできず、内管７’ｂの軸線方向の移動によって、外管７’ａによって第一噴孔７’ｃが閉鎖された時に、第三噴孔７’ｆと重なる別の連通孔７’ｇが、外管７’ａに形成されている。こうして、本燃料噴射弁７’は、内管７’ｂの軸線方向の移動によって、第一噴孔７’ｃを介しての均質燃焼に適した縦方向に広がる扇形状噴霧と、第二噴孔７’ｆを介しての成層燃焼に適した横方向に広がる扇形状噴霧とを切り換えて噴射することができる。
【００２９】
本実施形態において、筒内噴射式火花点火内燃機関は、触媒装置を暖気する時には大幅に点火時期を遅角させた成層燃焼を実施し、それ以外では、均質燃焼を実施するものであるが、もちろん、例えば、機関低負荷時等に大幅に点火時期を遅角しない通常の成層燃焼を実施するようにしても良い。
【００３０】
本実施形態の燃料噴射弁７，７’の燃料噴射部においては、内管７ｂ，７’ｂを軸線方向に移動させるようにしたが、もちろん、外管７ａ，７’ａを軸線方向に移動させるようにしても良い。また、各噴孔７ｃ，７ｄ，７’ｃ，７’ｆは、肉厚とした内管７ｂ，７’ｂに形成したが、外管７ａ，７’ａを肉厚として、外管７ａ，７’ａに形成するようにしても良い。この場合において、内管７ｂ，７’ｂには各連通孔７ｅ，７’ｅ，７’ｇを形成する。このようにしても、やはり、連通孔と重なった噴孔からだけ内管７ｂ，７’ｂ内の燃料を噴射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関を示す概略縦断面図である。
【図２】図１の筒内概略平面図である。
【図３】燃料噴射弁における燃料噴射部の拡大側面図である。
【図４】燃料噴射弁における燃料噴射部の拡大平面図である。
【図５】もう一つの燃料噴射弁が使用された場合の筒内概略平面図である。
【図６】もう一つの燃料噴射弁における燃料噴射部の拡大底面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１…吸気通路
３…排気通路
５…点火プラグ
６…ピストン
６ａ…キャビティ
７，７’…燃料噴射弁
７ａ，７’ａ…外管
７ｂ，７’ｂ…内管
７ｃ，７’ｃ…第一噴孔
７ｄ…第二噴孔
７ｅ，７’ｅ，７’ｇ…連通孔
７’ｆ…第三噴孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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